RU2748965C1 - Graphene film beam splitter - Google Patents
Graphene film beam splitter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2748965C1 RU2748965C1 RU2020134471A RU2020134471A RU2748965C1 RU 2748965 C1 RU2748965 C1 RU 2748965C1 RU 2020134471 A RU2020134471 A RU 2020134471A RU 2020134471 A RU2020134471 A RU 2020134471A RU 2748965 C1 RU2748965 C1 RU 2748965C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphene
- beam splitter
- film beam
- film
- membrane
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
- G02B27/142—Coating structures, e.g. thin films multilayers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Description
Настоящее техническое решение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для создания оптических интерферометров различных типов, например Тваймана-Грина и Майкельсона. Так, в астрономической оптике, изготовление неравноплечего интерферометра Тваймана-Грина с широким пучком для юстировки и контроля современных светосильных широкоугольных телескопов требует применения особого светоделительного элемента, поскольку широкоупотребляемый светоделительный кубик будет вносить значительную сферическую аберрацию в интерферограмму. В качестве такого элемента прекрасно работает плёночный светоделитель.This technical solution relates to the field of optical instrumentation and can be used to create optical interferometers of various types, for example, Twyman-Green and Michelson. So, in astronomical optics, the manufacture of an unequal Twyman-Green interferometer with a wide beam for alignment and control of modern high-aperture wide-angle telescopes requires the use of a special beam splitting element, since a widely used beam splitting cube will introduce significant spherical aberration into the interferogram. A film beam splitter works great as such an element.
Известен плёночный светоделитель и способ его изготовления (патент США US3438694A) [1], представляющий собой рамку с нанесённой на ней тонкой органической плёнкой, покрытой светоотражающим слоем или без него. Изготовление плёночного светоделителя с моно- или мультимолекулярной органической плёночной мембраной возможно по технологии Лэнгмюра-Блоджетт.Known film beam splitter and method of its manufacture (US patent US3438694A) [1], which is a frame with a thin organic film applied on it, covered with a reflective layer or without it. The production of a film beam splitter with a mono- or multimolecular organic film membrane is possible using the Langmuir-Blodgett technology.
По сравнению с другими типами светоделительных устройств, главное достоинство плёночных свеотделителей состоит в том, что за счёт малой толщины плёнки, составляющей порядка длины волны в видимой области спектра, разность хода лучей минимальна и вносимые аберрации, преимущественно хроматическая и сферическая для сфокусированных пучков, также ничтожно малы. При работе плёночного светоделителя полностью отсутствуют переотражения от вспомогательных оптических поверхностей, так называемые "духи". Это даёт возможность качественно улучшить характеристики интерферометрических приборов, построенных на основе плёночного светоделителя.Compared to other types of beam splitting devices, the main advantage of film separators is that due to the small film thickness, which is on the order of the wavelength in the visible region of the spectrum, the path difference of the beams is minimal and the introduced aberrations, mainly chromatic and spherical for focused beams, are also negligible. small. During the operation of the film beam splitter, there are no re-reflections from auxiliary optical surfaces, the so-called "ghosts". This makes it possible to qualitatively improve the characteristics of interferometric devices based on a film beam splitter.
Структура заявляемого устройства сходна с плёночным светоделителем [2]. На основе этого изобретения многими фирмами серийно выпускаются плёночные светоделители [3, 4], обладающие, однако, невысокой точностью порядка 1/2λ, изготовленные на базе алюминиевого основания и органической нитроцеллюлозной светоделительной плёнки со светоотражающим покрытием или без него. Светоделители без дополнительного отражающего покрытия имеют широкий спектральный диапазон, 300нм…5мкм, и специфичный коэффициент деления, порядка 8:92%. Светоделители с отражающим покрытием имеют более узкую полосу пропускания и коэффициент деления от 33/67%, в идеальном случае составляющий 50/50%. По индивидуальным заказам выпускаются также качественные плёночные светоделители, отличающиеся кольцевым основанием, рабочая плоскость которого выполнена из ситалла или кварца с высокой точностью, полностью определяющей точность рабочего оптического элемента - плёночной мембраны.The structure of the proposed device is similar to the film beam splitter [2]. On the basis of this invention, many companies serially produce film beam splitters [3, 4], which, however, have a low accuracy of the order of 1 / 2λ, made on the basis of an aluminum base and organic nitrocellulose beam splitting film with or without a reflective coating. Beam splitters without additional reflective coating have a wide spectral range, 300nm ... 5μm, and a specific division ratio of the order of 8: 92%. Reflective coated beams have a narrower bandwidth and split ratio from 33/67%, ideally 50/50%. On individual orders, high-quality film beam splitters are also produced, characterized by an annular base, the working plane of which is made of sitall or quartz with high accuracy, which completely determines the accuracy of the working optical element - a film membrane.
Общим недостатком этих конструкций является малая механическая жёсткость органической плёночной мембраны, невысокая атмосферная стойкость и крайне высокая её чувствительность к возмущениям окружающего воздуха, таким как звук и воздушные потоки, вызывающим так называемый "микрофонный эффект", проявляющийся в шумах, дрожании изображения и искажениях волнового фронта. Типичные тонкие плёнки, применяемые для изготовления светоделителей методом переноса с границы раздела жидкость-газ, создаются на основе нитрата целлюлозы и её сополимеров - ацетата целлюлозы, ацетопропионата целлюлозы, ацетобутирата целлюлозы. Эти полимеры имеют весьма малый модуль упругости E=1,4…4 ГПа [5].A common disadvantage of these designs is the low mechanical rigidity of the organic film membrane, low atmospheric resistance and its extremely high sensitivity to disturbances in the surrounding air, such as sound and air currents, which cause the so-called "microphone effect", which manifests itself in noise, image jitter and wavefront distortion ... Typical thin films used for the manufacture of beam splitters by transfer from the liquid-gas interface are created on the basis of cellulose nitrate and its copolymers - cellulose acetate, cellulose acetate propionate, cellulose acetate butyrate. These polymers have a very low modulus of elasticity E = 1.4 ... 4 GPa [5].
Одним из способов подавления этого негативного эффекта может служить улучшение механической жёсткости мембраны плёночного светоделителя. Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в поиске и замене материала мембраны плёночного светоделителя для улучшения его механической жёсткости. One way to suppress this negative effect is to improve the mechanical rigidity of the film beam splitter membrane. The problem to be solved by the claimed technical solution is to find and replace the membrane material of the film beam splitter to improve its mechanical rigidity.
Данный результат достигается за счет замены нежёсткой органической плёнки светоделителя на одно- или многослойный графен, обладающий крайне малой толщиной и высокой механической жёсткостью. Быстрое развитие технологии производства графена создаёт благоприятные предпосылки для реализации заявленного устройства.This result is achieved by replacing the non-rigid organic film of the beam splitter with single or multilayer graphene, which has an extremely low thickness and high mechanical rigidity. The rapid development of graphene production technology creates favorable conditions for the implementation of the claimed device.
Известно, что однослойный графен обладает следующими 3D-параметры упругости [6]:It is known that single-layer graphene has the following 3D elastic parameters [6]:
• модуль Юнга E3D = 1,0± 0,1 TПa;• Young's modulus E 3D = 1.0 ± 0.1 TPa;
• модуль упругости 3-го порядка D3D= -2± 0,4 TПa;• modulus of elasticity of the 3rd order D 3D = -2 ± 0.4 TPa;
• прочность на разрыв σ3D=130 ГПa;• tensile strength σ 3D = 130 GPa;
• относительная деформация ε = 0,25;• relative deformation ε = 0.25;
• эффективная толщина 0,335нм.• effective thickness 0.335nm.
Для двухлойного графена модуль Юнга также близок к 1 TПа. В работе [7] приводятся обзорные данные, рассчитанные различными методами и полученные экспериментально по модулю Юнга и коэффициенту Пуассона. Согласно этим данным, значение трехмерного модуля Юнга для графена (С)6 варьируется в пределах от 0,96 до 1,05 ТПа, а значение коэффициента Пуассона - от 0,17 до 0,22. О механических свойствах многослойных графеновых мембран сообщается в работе [8].For bilayer graphene, Young's modulus is also close to 1 TPa. In [7], review data are presented, calculated by various methods and obtained experimentally by Young's modulus and Poisson's ratio. According to these data, the value of the three-dimensional Young's modulus for graphene (C) 6 varies from 0.96 to 1.05 TPa, and the value of Poisson's ratio varies from 0.17 to 0.22. The mechanical properties of multilayer graphene membranes are reported in [8].
Параметры упругости приведены в 3D-приближении для возможности сравнения их свойств со свойствами полимерной плёнки в устройстве-прототипе. Можно видеть, что модуль упругости графена на три порядка выше, чем у полимерных плёнок, применяемых в прототипе. При прочих равных условиях, на эту же величину уменьшатся деформации графеновой светоделительной мембраны при акустическом воздействии, снизится микрофонный эффект, повысится помехозащищённость устройства.The elasticity parameters are given in a 3D approximation to allow comparing their properties with the properties of a polymer film in a prototype device. It can be seen that the elastic modulus of graphene is three orders of magnitude higher than that of polymer films used in the prototype. All other things being equal, the deformations of the graphene beam-splitting membrane under acoustic exposure will decrease by the same amount, the microphone effect will decrease, and the noise immunity of the device will increase.
Классический графен (С)6 прозрачен во всем диапазоне длин волн видимого света и ближней части ИК-излучения, имея показатель преломления, изменяющийся в интервале от n=1,6 (при λ = 405 нм) до n=2,5 (при λ = 1060 нм). Высшие графены имеют узкие зоны непрозрачности в оптическом диапазоне [9].Classic graphene (C) 6 is transparent in the entire wavelength range of visible light and near infrared radiation, with a refractive index varying in the range from n = 1.6 (at λ = 405 nm) to n = 2.5 (at λ = 1060 nm). Higher graphenes have narrow opacity zones in the optical range [9].
Коэффициент фотопоглощения для одного слоя графена составляет 2,3% а коэффициент отражения составляет всего 0,1% [10]. В многослойном графене эти параметры меняются увеличиваются, кратно числу слоёв [10]. Такие оптические свойства графена делают возможным его применение в заявляемом устройстве.The photoabsorption coefficient for one graphene layer is 2.3% and the reflection coefficient is only 0.1% [10]. In multilayer graphene, these parameters change and increase, in multiples of the number of layers [10]. Such optical properties of graphene make it possible to use it in the claimed device.
Интерференционный эффект [3], присущий плёночным светоделителям, и проявляющийся как модуляция интенсивности света, проходящего через тонкую плёнку, в заявляемом графеновом светоделителе будет зависеть от толщины графеновой мембраны и (при его наличии) - от толщины и свойств дополнительного отражающего слоя (слоёв), от угла падения и поляризации падающего пучка, ширины полосы излучения. Ожидается, что в графеновом светоделителе без дополнительных отражающих слоёв интерференционный эффект может быть значительно снижен для видимого и ближнего ИК диапазонов.The interference effect [3], inherent in film beam splitters, and manifested as modulation of the intensity of light passing through a thin film, in the inventive graphene beam splitter will depend on the thickness of the graphene membrane and (if any) on the thickness and properties of the additional reflective layer (s), on the angle of incidence and polarization of the incident beam, the bandwidth of the radiation. It is expected that in a graphene beam splitter without additional reflective layers, the interference effect can be significantly reduced for the visible and near-IR ranges.
Заявляемый графеновый плёночный светоделитель состоит из кольцевого основания круглой или эллиптической формы с полированным базовым торцем и нанесённого на базовый торец плёночного светоделительного элемента в виде мембраны из графена. Основание светоделителя выполнено из материала с низким или околонулевым температурным коэффициентом линейного расширения, например ситалла или карбида кремния. Базовый торец основания отполирован с высокой плоскостностью, среднеквадратическое отклонение от плоскости не менее λ/20 и параметр шероховатости поверхности Ra≈5нм. Плоскостность кольцевого базового основания является определяющим фактором качества светоделительного элемента. На поверхность базового торца нанесён графеновый светоделительный элемент в виде мембраны, полностью перекрывающей окно. Графеновая мембрана может быть одно- или многослойной. Общий коэффициент светоделения можно дискретно варьировать числом слоёв графена, толщиной и свойствами дополнительного отражающего покрытия. Поскольку светоделитель работает в наклонном пучке с углом 45°, характеристики графенового светоделителя с дополнительным отражающим покрытием рассчитываются с учётом Рамановского рассеивания и нелинейных оптических эффектов [11].The inventive graphene film beam splitter consists of a circular or elliptical ring base with a polished base end and a graphene membrane applied to the base end of a film beam splitting element. The base of the beam splitter is made of a material with a low or near-zero temperature coefficient of linear expansion, such as sitall or silicon carbide. The base end of the base is polished with high flatness, the standard deviation from the plane is not less than λ / 20 and the surface roughness parameter is Ra≈5nm. The flatness of the ring base is a determining factor in the quality of the beam splitter. A graphene beam-splitting element in the form of a membrane that completely covers the window is applied to the surface of the base end. The graphene membrane can be single or multi-layer. The overall beam-splitting factor can be discretely varied by the number of graphene layers, the thickness, and the properties of the additional reflective coating. Since the beam splitter operates in an inclined beam with an angle of 45 °, the characteristics of a graphene beam splitter with an additional reflective coating are calculated taking into account Raman scattering and nonlinear optical effects [11].
Улучшение характеристик графенового плёночного светоделителя по сравнению с известными прототипами на основе органических плёнок достигается значительным уменьшением толщины светоделительной плёночной мембраны, а также уникальными механическими и оптическими свойствами графена, из которого она изготовлена. Применение графеновой мембраны в конструкции плёночного светоделительного элемента позволяет, при необходимости, полностью исключить применение органических материалов в конструкции и даёт возможность применения в вакууме, при криогенных температурах и в особо чистых средах. An improvement in the characteristics of a graphene film beam splitter in comparison with known prototypes based on organic films is achieved by a significant decrease in the thickness of the beam splitting film membrane, as well as by the unique mechanical and optical properties of graphene, from which it is made. The use of a graphene membrane in the design of a film beam splitting element allows, if necessary, to completely exclude the use of organic materials in the design and makes it possible to use it in vacuum, at cryogenic temperatures and in highly pure environments.
Изобретение создано в рамках работ по Соглашению с Минобрнауки России № 075-15-2019-1716 от 20.11.2019, уникальный идентификатор соглашения RFMEFI61319X0093.The invention was created as part of the work under the Agreement with the Ministry of Education and Science of Russia No. 075-15-2019-1716 dated 20.11.2019, the unique identifier of the agreement is RFMEFI61319X0093.
ЛитератураLiterature
1. US Patent 3438694, L.R. Reid et all, 15.04.19691. US Patent 3438694, L.R. Reid et all, 15.04.1969
2. European Patent Office, patent EP2271959A4, Jong-Souk YeoSagi V MathaiMichael Renne Ty Tan, 2008.2. European Patent Office, patent EP2271959A4, Jong-Souk YeoSagi V Mathai Michael Renne Ty Tan, 2008.
3. https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=898&gclid=EAIaIQobChMI76alkfST7AIVNQCiAx192AsdEAAYASAAEgLrwfD_BwE3.https: //www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=898&gclid=EAIaIQobChMI76alkfST7AIVNQCiAx192AsdEAAYASAAEgLrwfD_BwE
4. https://www.edmundoptics.com/f/pellicle-beamsplitters/12443/4.https: //www.edmundoptics.com/f/pellicle-beamsplitters/12443/
5. http://eklip.ru/index.php/atsetattsellyuloznye-plastiki?limitstart=05.http: //eklip.ru/index.php/atsetattsellyuloznye-plastiki?limitstart=0
6. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, C. Lee, X.Wei, J.W. Kysar, J. Hone, SCIENCE 321(18) JULY 2008 p. 3856. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, C. Lee, X. Wei, J.W. Kysar, J. Hone, SCIENCE 321 (18) JULY 2008 p. 385
7. Fthenakis, Z. G. Graphene allotropes under extreme uniaxial strain: an ab initio theoretical study / Z. G. Fthenakis, N. N. Athitakis //Phys. Chem. Chem. Phys. - 2015. - V. 17. - P. 16418-16427.7. Fthenakis, Z. G. Graphene allotropes under extreme uniaxial strain: an ab initio theoretical study / Z. G. Fthenakis, N. N. Athitakis // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2015. - V. 17. - P. 16418-16427.
8. Nanomechanical properties of few-layer graphene membranes. M. Poot, H.S.J. van der Zant - Applied Physics Letters, 2008.8. Nanomechanical properties of few-layer graphene membranes. M. Poot, H.S.J. van der Zant - Applied Physics Letters, 2008.
9. Р.А. Браже, А.И. Кочаев, Р.М. Мефтахутдинов. Акустические и оптические свойства графенов. Инжиниринг и технологии. - 2016. - Vol. 1(1)9.R.A. Brazhe, A.I. Kochaev, R.M. Meftakhutdinov. Acoustic and optical properties of graphenes. Engineering and technology. - 2016. - Vol. 1 (1)
10. R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim at all. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science 06 Jun 2008:Vol. 320, Issue 5881, pp. 1308. 10. R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim at all. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science 06 Jun 2008: Vol. 320, Issue 5881, pp. 1308.
11. С.И. Расмагин, Л.А. Апресян, В.И. Крыштоб. О специфике измерений параметров слаборассеивающих нанообъектов на плоских подложках. Прикладная физика, 2017, № 211. S.I. Rasmagin, L.A. Apresyan, V.I. Kryshtob. On the specifics of measurements of the parameters of weakly scattering nanoobjects on flat substrates. Applied Physics, 2017, No. 2
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134471A RU2748965C1 (en) | 2020-10-21 | 2020-10-21 | Graphene film beam splitter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134471A RU2748965C1 (en) | 2020-10-21 | 2020-10-21 | Graphene film beam splitter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2748965C1 true RU2748965C1 (en) | 2021-06-02 |
Family
ID=76301617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020134471A RU2748965C1 (en) | 2020-10-21 | 2020-10-21 | Graphene film beam splitter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2748965C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3438694A (en) * | 1965-10-18 | 1969-04-15 | Texas Instruments Inc | Wide band pellicle beam splitter for interferometry |
| US6972907B2 (en) * | 2003-06-04 | 2005-12-06 | Intel Corporation | Tunable laser modules incorporating micromachined pellicle splitters |
| JP2011059017A (en) * | 2009-09-11 | 2011-03-24 | Wakayama Univ | Displacement distribution measuring method, apparatus, and program |
-
2020
- 2020-10-21 RU RU2020134471A patent/RU2748965C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3438694A (en) * | 1965-10-18 | 1969-04-15 | Texas Instruments Inc | Wide band pellicle beam splitter for interferometry |
| US6972907B2 (en) * | 2003-06-04 | 2005-12-06 | Intel Corporation | Tunable laser modules incorporating micromachined pellicle splitters |
| JP2011059017A (en) * | 2009-09-11 | 2011-03-24 | Wakayama Univ | Displacement distribution measuring method, apparatus, and program |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0532184B1 (en) | Polycrystalline diamond substrate coated with non-hydrogenated amorphous diamond-like carbon thin films as durable optical element | |
| Israelachvili | Thin film studies using multiple-beam interferometry | |
| Ennos | Stresses developed in optical film coatings | |
| Brossel | Multiple-beam localized fringes: Part I.-Intensity distribution and localization | |
| de Denus-Baillargeon et al. | Design and fabrication of stress-compensated optical coatings: Fabry–Perot filters for astronomical applications | |
| RU2748965C1 (en) | Graphene film beam splitter | |
| Kinast et al. | Manufacturing of aluminum mirrors for cryogenic applications | |
| US7630085B2 (en) | Interferometers of high resolutions | |
| Cao et al. | Plasmon-enhanced optical transmission at multiple wavelengths through an asymmetric corrugated thin silver film | |
| WO2019241165A1 (en) | Thin film optics | |
| Gärtner et al. | Xanthine: a promising organic material for the development of nanostructured anti-reflective layers | |
| Zhou et al. | Large scale array visible-Infrared converter based on free-standing flexible composite microstructures | |
| Karar et al. | Design and fabrication of multilayer dichroic beam splitter | |
| Lv et al. | Effects of oxygen flows on optical properties, micro-structure and residual stress of Ta2O5 films deposited by DIBS | |
| Chatterjee et al. | Measurement of the surface form error of a spherical surface with a wedge phase shifting Fizeau interferometer | |
| Zhang et al. | Influence of deposition parameters on residual stress of YbF3 thin film | |
| Wang et al. | Effect of silicon carbide ceramic coating process on the mirror surface quality | |
| Joo et al. | Measurement system of film structure by interferometry and ellipsometry | |
| Minaev et al. | An Interference Microscope with a Low-Coherence Source and a Supersmooth Reference Mirror | |
| Chen et al. | Thin film thickness and refractive index measurement by multiple beam interferometry | |
| Hlubina et al. | White-light spectral interferometry and reflectometry to measure thickness of thin films | |
| Liu et al. | Optimized Cavity Length Demodulation via Error Analysis in Graphene Fiber-Optic Fabry-Perot Sensor | |
| Okita et al. | In-situ monitoring of Subaru Telescope’s optical performance using a portable spectrophotometer | |
| Lehmann et al. | Optical Measurement Systems for Industrial Inspection XI | |
| Soufli | Corrosion-resistant Mg-based multilayer coatings for sources> 25 nm |